小球藻细胞淀粉与脂肪的碳分配关系及生理学功能解析

随着能源与环境问题的日益严峻，利用微藻生产生物燃料替代传统化石燃料成为当前研究热点。实现微藻生物燃料规模化生产的关键技术之一是提高现有含油微藻的含油量，然而由于目前对含油微藻脂肪代谢调控认识不足，脂肪合成途径与其它代谢途径的关系还不明确，导致对增强脂肪积累的策略缺乏一定理论指导。本项目采用小球藻这一同时积累淀粉和脂肪两大储碳产物的含油微藻作为研究对象，通过特异性抑制淀粉或脂肪合成途径，以细胞个体为单位研究淀粉与脂肪形成的动力学、含量变化，细胞的超微结构及光合作用活性等，从细胞水平上探索淀粉与脂肪可能的关系，揭示脂肪代谢调控的关键科学问题，通过考察淀粉与脂肪的合成和消耗规律，进一步解析这二者的生理学功能。本项目的开展将有助于指导产油微藻基因改造及培养优化，具有显著的应用指导价值和重要的生理学意义。

本研究针对小球藻能同时积累淀粉与脂肪两大储能代谢产物的特点，研究小球藻在氮胁迫条件下光合碳在淀粉与脂肪之间的分配关系。通过时间进程研究淀粉和脂肪的积累模式，同时，针对淀粉与脂肪存在竞争关系的假说，通过特异性抑制剂分别抑制淀粉与脂肪的合成，分析二者可能存在的相互关系，为微藻基因改造及培养优化提供理论依据。另外对淀粉与脂肪在细胞恢复生长阶段所起的功能也做了一定的解析。通过本项目的研究，发现微藻的淀粉与脂肪积累模式完全不同，细胞在正常培养条件下淀粉与脂肪的含量均处于较低水平，但是细胞受到氮胁迫后淀粉的积累立即快速发生，并且达到一个峰值，随后逐渐下降，为脂肪酸的合成提供中间代谢产物。脂肪的合成落后于淀粉，且一直呈逐渐上升趋势。淀粉是藻细胞应对外界压力的短期应急响应，而脂肪可能起到长期储能的作用。通过抑制淀粉的合成发现，Pi抑制了AGPase酶活从而造成了淀粉合成的抑制，但是这种抑制只是短期效应，长期培养后该效应消失。抑制淀粉合成对脂肪合成起到一定的促进作用，使脂肪合成速率加快，缩短了脂肪积累时间，有利于实际应用，可以减少缺氮培养时间，降低培养成本。因此通过基因工程手段，抑制或者去除淀粉的合成途径，稳定的减少淀粉的产生，从而获得高产油藻株是可行的。然而，通过抑制脂肪的合成并不能有效的提高淀粉的积累反而会降低淀粉的含量，这可能是由于脂肪含量减少推动了淀粉快速降解以便为脂肪合成提供中间产物。细胞从胁迫状态恢复到正常生长阶段，会快速消耗淀粉以获取碳源和能源，但脂肪酸并不会被降解转成其他物质，而是作为膜脂的周转，以快速应对新分裂细胞所需的细胞膜结构。本项目基本按照计划正常进行，已发表了6篇SCI论文，3篇EI论文，培养研究生2名。